CALCOLO DEL LAI TRAMITE FOTOGRAFIA EMISFERICA

La fotografia emisferica fa parte dei metodi indiretti di calcolo del LAI. Questa tecnica utilizza macchine fotografiche dotate delle cosiddette lenti fish-eye, ovvero obiettivi con un estremo angolo di osservazione, generalmente non inferiore a 180°. Come si può osservare nella figura 6.1, la fotografia fornisce quindi la proiezione di un‟immagine emisferica su un piano (Rich, 1990).

La macchina fotografica può essere posizionata sotto le chiome, rivolta verso lo zenit, oppure sopra le chiome, rivolta verso il nadir.

La fotografia che ne risulta si presenta circolare e, se scattata verso l‟alto, permette di avere una visuale completa del cielo, con lo zenit al centro dell‟immagine e l‟orizzonte lungo la circonferenza. Tale immagine fornisce una descrizione precisa della distribuzione geometrica delle chiome, sulla loro dimensione ed architettura, sulla dimensione e posizione dei gap e di conseguenza anche sulla attenuazione della radiazione solare all‟interno del bosco.

Anche la dinamica temporale di queste caratteristiche (ad esempio le fasi fenologiche o la formazione e chiusura di nuovi gap) può essere osservata, ripetendo i rilievi nelle medesime postazioni.

Figura 6.1–

A sinistra: esempio di fotografia emisferica originale del punto 65 (Core Area 1). A destra: la stessa foto in formato bianco e nero utilizzato per il calcolo del LAI.

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Dopo aver scattato le fotografie si entra nella fase di elaborazione delle immagini, utilizzando uno dei vari software disponibili (come Gap Light Analyzer, SideLook, Hemiview, Can-Eye o altri). Per poter effettuare una discriminazione tra cielo e canopy al fine di calcolare il LAI, è necessario eseguire il cosiddetto thresholding, ovvero impostare una soglia di discriminazione dei colori che permetta di distinguere cielo e canopy. In questo modo il

software restituisce un‟immagine binaria (figura 6.1), ovvero in bianco e nero, con una

separazione netta tra cielo e copertura. Infine si può procedere con il calcolo del LAI, basato sul conteggio dei pixel.

Un‟ulteriore applicazione della fotografia emisferica riguarda la sovrapposizione delle fotografie alla traiettoria percorsa dal sole nel cielo: in questo modo è possibile analizzare la distribuzione della radiazione nel corso della giornata, e distinguere la luce diretta da quella diffusa (Evans e Coombe, 1959; Anderson, 1964).

Le motivazioni a favore dell‟uso della fotografia emisferica per il calcolo del LAI e per lo studio dell‟ambiente luminoso sotto copertura fanno riferimento soprattutto all‟economicità e rapidità dei rilievi in confronto alle altre tecniche. Viene spesso sottolineato come il rapido sviluppo di nuovi sistemi di elaborazione delle immagini ed il progressivo miglioramento della qualità di queste ultime rendano questo metodo anche maggiormente affidabile.

Inoltre la possibilità di archiviare le immagini ne consente una futura rielaborazione ed applicazione in presenza di eventuali software più avanzati.

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6.1.1. RACCOLTA ED ELABORAZIONE DELLE FOTOGRAFIE

Le fotografie emisferiche utilizzate in questo lavoro sono state scattate nelle aree di monitoraggio permanente dai tecnici del Corpo Forestale dello Stato nel periodo di piena fase vegetativa dell‟anno 2005, tra il giorno 19 Luglio ed il giorno 11 Agosto, in presenza di cielo nuvoloso o, in alternativa, alle prime luci dell‟alba.

Queste condizioni sono state scelte per avere una situazione di luce ideale, in quanto consentono di evitare la radiazione solare diretta e di avere un miglior contrasto tra cielo e

canopy, al fine di ottenere una stima più precisa dell‟Indice di Area Fogliare.

I punti in cui sono state scattate le fotografie sono stati individuati utilizzando le griglie di quadrati delle dimensioni di 10x10 metri in cui sono suddivise le Core Area e le Woody

Transect Area (si veda l‟allegato A). In corrispondenza dei vertici di tali quadrati sono state

scattate le fotografie in due formati (raw e jpg) e in due direzioni (verso l‟alto e verso il basso). Si tratta di 360 immagini complessive per le Core Area e di 66 immagini complessive per le Woody Transect Area, per un totale di 426 immagini per ciascun formato e per ciascuna direzione.

La strumentazione utilizzata per l‟acquisizione delle fotografie era costituita da una macchina fotografica digitale Nikon Coolpix 4500 (4.0 Megapixel) equipaggiata con obiettivo fisheye Nikon Fisheye Converter FC-E8 .

La macchina fotografica è stata posizionata su cavalletto a 1 metro da terra, orientata a nord e livellata orizzontalmente con livella a bolla di precisione.

Le immagini emisferiche così acquisite sono state trasferite su dispositivo di archiviazione (DVD e hard disk) in formato jpg.

Le fotografie archiviate sono state successivamente utilizzate per il calcolo del LAI. Il procedimento di elaborazione seguito può essere suddiviso nelle seguenti fasi:

a) Separazione del canale Blu dell‟immagine tramite Adobe Photoshop; b) Individuazione automatica della soglia (threshold) tramite SideLook; c) Calcolo dell‟Indice di Area Fogliare tramite Gap Light Analyzer.

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Di seguito vengono descritti nel dettaglio i singoli procedimenti:

a) La separazione del canale Blu dell‟immagine potrebbe in realtà essere evitata, ma in questo caso è stata effettuata perché nella letteratura di riferimento (Lee et al., 1983; Frazer et al., 1999, 2001; Nobis e Hunziker, 2005) si ritiene che le immagini contenenti solo questo colore siano più adatte per la successiva fase di thresholding.

Per facilitare questa operazione è stato utilizzato il software Adobe Photoshop CS4 Extended (versione 11.0, Adobe System Inc., U.S.A.), che consente di automatizzare il procedimento per separare i canali RGB (Rosso, Giallo e Blu) e salvare una copia di ciascuna fotografia con il solo canale Blu nel formato jpg in una cartella di destinazione.

b) Per ogni immagine è necessario impostare una soglia (threshold) di separazione che permette al programma di distinguere i pixel di cielo (gap fraction) dagli altri pixel (ovvero la canopy). Tale operazione può essere fatta manualmente, ovvero testando vari livelli di threshold e confrontando l‟immagine risultante con quella originale, per verificare la corrispondenza dei gap e la loro estensione. Molti autori (Chan et al., 1986; Rich, 1990; Machado e Reich, 1999; Frazer et al., 2001; Diaci e Thormann, 2002; Jonckheere et al., 2004; Nobis e Hunziker, 2005) suggeriscono, però, l‟utilizzo di

software che calcolino automaticamente la soglia per evitare di introdurre l‟errore dovuto

alla soggettività dell‟operatore. Il thresholding automatico è inoltre consigliabile in particolare quando si analizzano numerose fotografie numerose fotografie, poiché è facilmente riproducibile e soprattutto è più speditivo. Per fare questo è stato utilizzato il

software SideLook (versione 1.1.01, ApplEco by M. Nobis) con il quale è stata aperta

singolarmente ciascuna fotografia nel canale Blu e su queste è stato calcolato il threshold in modo automatico (comandi: threshold – channel: blue – modus: edge value – max). E‟ stato comunque necessario correggere manualmente la soglia di alcune fotografie che risultavano essere sovraesposte e pertanto causavano una sovrastima da parte del programma. L‟allegato B raccoglie l‟elenco completo dei threshold stabiliti.

c) Per il calcolo del LAI, si è ricorso all‟utilizzo del software Gap Light Analyzer (versione 2.0, Simon Fraser University, Canada). Inizialmente è stata eseguita la configurazione con i parametri riportati nell‟allegato F: questi ultimi permettono di specificare le

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caratteristiche del sito analizzato (latitudine, longitudine, altitudine), la scelta del tipo di proiezione azimutale, ecc…

Si è passati poi alla fase di registrazione dell‟immagine, per cui tramite l‟attribuzione di precise coordinate (allegato F) viene definito il centro della fotografia (corrispondente allo zenit) ed i limiti all‟interno dei quali il programma dovrà lavorare. Dopo aver completato queste operazioni preliminari è stato inserito il threshold calcolato con Sidelook, ottenendo così un‟immagine binaria, poi utilizzata per calcolare il LAI, del quale Gap Light Analyzer fornisce due versioni: il LAI 4° anello, che riguarda la copertura compresa tra lo zenit e 60°, ed il LAI 5° anello, che riguarda invece la copertura compresa tra lo zenit e 75°, quindi una fascia più ampia. Inoltre viene calcolata la percentuale di canopy openness, ovvero di apertura delle chiome.

Tutti i parametri calcolati sono stati archiviati su foglio di calcolo e sono consultabili negli allegati C, D, E. Per la successiva analisi della copertura nelle singole aree di monitoraggio (capitolo 7) si sono invece utilizzati dei valori medi (media aritmetica) che rappresentassero l‟intera area.

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